在现代科技的诸多领域，从医学成像到量子信息处理，从精密制造到遥感探测，对光波的精确控制一直是推动科技进步的关键。X射线作为一种高能光源，与光频电磁波场一样，同样可以在振幅、相位和偏振态等方面进行空间信息编码。然而，由于材料和技术限制，对X射线进行光学操控相当困难。在过去的几十年内，科学界一致试图在该领域寻求突破，并提出了许多可行的方案。然而，现有的X射线空间调制技术均是通过预制结构实现的，缺乏动态可调性，限制了其在复杂变化环境中的应用。
近日，这一难题被日本同步辐射研究所与美国斯坦福大学的联合研究团队所突破。研究团队发现，飞秒激光在单晶硅中诱导的瞬态应变能够显著改变晶体对X射线的反射率，通过图案化飞秒激光光场分布，研究团队成功实现了对X射线束的动态空间调制。 这项研究为模式化X射线提供了全新的思路，极大地促进了先进X射线传感与成像技术的发展。相关成果发表以“Dynamically patterning X-ray beam by a femtosecond optical laser”为题发表在Science Advances 上。
调制原理
在X射线波段，单晶硅因其独特的布拉格反射特性而成为少数几种可用的光学元件之一。当X射线的波长λ、晶体的晶面间距d 以及入射角θB 之间满足布拉格关系时(式1)，X射线会被强烈反射。
研究发现，飞秒激光脉冲在硅晶体中产生的瞬态应变能够引起晶面间距d 的局部变化，进而导致布拉格角(θB)发生偏移。如果这种应变足够大，以至于θB的偏移超过了布拉格反射的内在角宽度，就会导致X射线反射率的显著降低。基于这一原理，即可实现对X射线反射率的精确调控，而为了最大化这种调控效果，研究人员精心选择了能量为9.886 keV的X射线，其在Si 555晶面上的布拉格角为89.5°。在这一特定的条件下，仅需1.5 mJ/cm²的激光光强就能诱导X射线反射率发生大幅变化。
X射线空间调制
图1A展示了空间X射线调制器的装置示意图，图案化的飞秒激光首先照射至调制器表面，在一定延时后，X射线以布拉格角入射，并被探测器接收。实验中所用飞秒激光波长为800 nm，脉宽120 fs，单脉冲能量0.6 mJ，通过液晶硅基空间光调制器(LCOS-SLM)，激光光斑被调制成笑脸图案。X射线由日本同步辐射光源SPring-8装置产生，其脉冲宽度为40 ps，重复率与飞秒激光一致，均为948 Hz。图1E至图1G展示了该装置用于X射线空间调制的能力，证明了其在动态X射线调制方面的潜力。
图1 空间X射线调制器。(A)实验装置示意图;(B)LCOS-SLM 图案;(C)-(D)调制后的飞秒激光光场分布;(E)-(F)有、无调制时X射线光场分布;(G)归一化的空间调制X射线光场分布
晶体表面应变决定了布拉格角的偏移，这种偏移可以通过调整飞秒激光光强和X射线的入射时间延迟来精确控制。在图2中，通过控制激光光斑的强度分布，可以在硅晶体的特定区域改变X射线的反射率。此外，为了验证该调制器的动态特性，研究团队为LCOS-SLM编程输入了一系列的图像序列，并实时拍摄获得了动态的X射线调制图样，如图3所示。
图2 (A)LCOS-SLM输入图样，较低的灰度输入值对应了更高的X射线反射率;(B)动态测试图像序列
图3 X射线动态调制展示
总结与展望
利用飞秒激光在单晶硅表面诱导晶格应变，改变晶体对X射线的布拉格反射，能够实现X射线的动态空间调制，这一技术突破对于短波探测及成像等领域具有重要意义。尽管当前调制器的动态性能受到晶体温度和LCOS-SLM响应频率的限制，但研究人员表示，通过引入额外的温控设计，调制晶体的工作频率能够提升至10 kHz。随着技术发展，未来的X射线调制技术将为短波光源的应用提供更多的可能性，进一步推动相关领域的进步与创新。
